Biomechanical substantiation of compression osteosynthesis in near- and intra-articular fractures

Full Text

В клинике травматологии Ульяновской городской клинической больницы раннее восстановление функции после оперативного лечения около и внутрисуставных повреждений считается приоритетной задачей. Эта концепция успешно реализуется, а исходы лечения свидетельствуют о правильном выборе направления.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

При лечении 182 пациентов в возрасте от 7 до 72 лет с околои внутрисуставными переломами использовано разработанное нами устройство, позволяющее производить одностороннюю динамическую компрессию костных фрагментов (а.с. 173120 от 08.01.92).

Система, обеспечивающая одностороннее давление на костный отломок (рис. 1), состоит из внешней опоры (А), противоупорных фиксаторов (Б) и компрессирующего устройства (В, Г). Последнее представляет собой корпус со шкалой в виде втулки с прорезью (1), в которой установлен подпружинный толкатель; на корпусе имеется гайка (2) или цанговый фиксатор (3). На стержне установлена пружина (4), которая контактирует с дном втулки и пластиной кронштейна (5).

Вследствие эластичности костной ткани, находящейся под давлением, и в связи с физиологической резорбцией на стыке костных фрагментов компрессирующая сила со временем уменьшается. Пружинный механизм устройства обеспечивает постоянное давление на отломок в динамике остеосинтеза, что исключает необходимость дополнительной подкрутки аппарата.

 

Рис. 1. Схема аппарата для компрессионного остеосинтеза.

 

Показаниями к оперативному вмешательству у наших больных являлись закрытые и открытые переломы локтевого, плечевого, коленного и голеностопного суставов при изолированной травме, а также при множественных и сочетанных повреждениях. Суть метода состоит в восстановлении анатомической формы сустава при сохранении конгруэнтности суставных концов до сращения перелома без выключения функции сустава в условиях малой инвазивности конструкции.

Установлено, что качество лечения переломов при компрессионном остеосинтезе зависит от взаимосвязи чрескостных фиксаторов с мягкотканными образованиями, биомеханики управления пространственной ориентацией костных фрагментов в ходе лечения и сохранности биологически обоснованной компрессии для удержания отломка до конца сращения перелома. Взаимосвязи статичных чрескостных металлических фиксаторов и подвижных мягких тканей обусловливают биомеханический феномен функционирования конечности в условиях внешнего остеосинтеза.

С целью выявления возможных ошибок в лечении и предупреждения осложнений нами была проведена биомеханическая оценка системы «кость—аппарат» на 90 моделях внутрисуставных переломов.

Экспериментальные исследования выполнены на кафедрах сопротивления материалов и физики твердого тела Ульяновского технического университета. Эксперименты проводили на проксимальных и дистальных сегментах плечевой и большеберцовой костей, взятых от трупов лиц 55-60 лет 2-3-дневной давности. Перелом имитировали косым распилом мыщелков плечевой, большеберцовой костей и внутренней лодыжки на расстоянии 2,5-5 см от их суставного края. Затем отломки сопоставляли и фиксировали спицей (2 мм) с упорной площадкой (рабочая площадка 4 мм). Спицу укрепляли в компрессирующем устройстве. На расстоянии 3-4 см от метафизарного края линии перелома транссегментарно во фронтальной плоскости на двух уровнях перекрестно проводили спицы с упорным;* площадками со стороны, противоположной повреждению. Спицы фиксировали в натянутом положении на внешней опоре. Последняя посредством резьбовой штанги соединялась с компрессирующим устройством. Завершали монтаж системы обеспечением полного контакта отломка с поверхностью излома сегмента и его компрессией (рис. 2).

Изучалось влияние дозированной компрессии на функциональные возможности суставов в динамике остеосинтеза. В качестве примера представляем схему распределения сил на модели перелома мыщелка большеберцовой кости (рис. 3).

Для удобства расчетов мы ввели следующие биомеханические параметры распределения сил: G — часть силы тяжести (веса тела), воспринимаемая сегментом конечности; R = G — реакция, уравновешивающая силу тяжести G; Р — сила компрессии, приложенная в точке 4; Rb — напряжение противоупора, приложенное в точке В; Mb — момент сил, создаваемый противоупором в точке В; Rc — напряжение опоры в точке С; F — плоскость излома кости.

Противоупорная и опорная площадки в точках В и С создают встречно-боковую компрессию, препятствующую боковому перемещению внешней опоры по отношению к сегменту большеберцовой кости.

 

Рис. 2. Компрессионный остеосинтез внутренней лодыжки большеберцовой кости.

 

Рис. 3. Расчетная схема распределения сил при переломе мыщелка большеберцовой кости (пояснения в тексте).

 

Рис. 4. Схема распределения сил на отломок (пояснения в тексте).

 

В представленной на рис. 3 схеме система сил {Р, Р, Mb} находится в равновесии, следовательно, для нее справедливы уравнения равновесия, которые в векторной форме имеют вид:

Р + РЬ = 0-,                                                                             (1)

Mb (Р) + Mb = 0,                                                                     (2)

где Mb (Р) — момент силы Р относительно точки В.

Из (1) следует: Pb = -Р.                                                        (3)

Из (2) следует: Mb = -Mb (Р).                                               (4)

Момент силы Р относительно точки В равен:

МЬ(Р) = г-Р,                                                                            (5)

где г — радиус-вектор, соединяющий точки В и А.

Положение силы компрессии Р относительно плоскости излома определяется необходимостью равномерного распределения сил взаимодавления (напряжений) по всей площади соприкосновения отломков.

При равномерном распределении сил по плоскости излома их равнодействующая представляется как N = 5*F (6) и приложена в центре тяжести сечения — точке Т. Тогда силы, действующие на отломок, можно изобразить в виде схемы, приведенной на рис. 4, где Р — сила компрессии, создаваемая аппаратом и приложенная в точке А; 8 — интенсивность распределения сил на плоскости излома; т — интенсивность распределения по линии излома касательных сил, препятствующих скольжению костного фрагмента; G — часть силы тяжести (веса тела); К — центр площади излома отломка; Рк — реакция упорной спицы, стремящаяся уравновесить силу G, N — равнодействующая распределения сил давления на площадь излома, т.е. Р = N.

Если сила тяжести (веса тела) Gx имеет относительно точки К плечо h_v то точка К смещена относительно центра тяжести сечения перелома (точки Т) на величину, равную h₂, причем;

h₂ = G'h₁/P.                                                                            (7)

Напряжение противоупорной площадки спицы в точке В будет Rb = Р. Тогда момент сил, создаваемый противоупором в точке В, представляется следующим образом: Mb = Ph, где h — плечо силы Р относительно точки В.

С учетом сил, вызывающих кручение (Ркр.) и отрыв (Ротр.) костного фрагмента, сила компрессии на отломок должна быть не менее Р = (8'F) + Ротр. + Ркр.

Для мыщелка большеберцовой кости при условии 6 = 0,2510⁶, F = 8 см², Ротр. = 59 Н, Ркр. = 224 Н эта величина будет равняться:

Р = (0,25-10⁶-810 ⁴) + 59 + 224 = 483 Н.

Величину силы компрессии при остеосинтезе околои внутрисуставных переломов мы определяли с учетом возраста, роста, массы тела больного, размеров костного фрагмента, смещающих моментов тяги мышц и связочного аппарата. Средние ее значения представлены в табл. 1.

Со 2-3-го дня после операции производили коррекцию жесткости системы «кость—аппарат». Реабилитация сустава носила этапный характер — от упражнений, направленных на улучшение условий кровообращения, до механотерапии, которая позволяла увеличить амплитуду движений и повысить мышечную силу.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Исходы лечения околои внутрисуставных повреждений изучены в сроки от 4 лет у 156 больных. Хороший результат достигнут у 128 (82,1%) из них, удовлетворительный — у 22 (14,1%), неудовлетворительный результат констатирован у 6 (3,8%) пациентов.

Нами было предпринято также сопоставление оценки анатомо-функциональных исходов переломов по схеме, предложенной ЦИТО [3], у рассматриваемой группы больных (основная группа) и у 114 пациентов с однотипными повреждениями, которым проводилось оперативное лечение с использованием традиционных фиксаторов (контрольная группа). Как известно, в основе системы оценки,
предложенной ЦИТО, лежит сравнение конкретного исхода со средней анатомо-функциональной нормой. Исходы оцениваются по субъективным и объективным показателям (боль, консолидация перелома, анатомическое соотношение костей, функциональные возможности поврежденного и смежного суставов, нейротрофические нарушения, инфекционные осложнения, косметические дефекты, контрактуры, артроз, ограничение движений и др.). Конечная оценка — сумма баллов, поделенная на число учтенных показателей (норма соответствует 100 баллам).

Мы придерживались обязательного требования медицинской статистики — репрезентативности изучаемой группы наблюдений, т.е. ее соответствия всей генеральной совокупности анализируемых наблюдений. Оценку статистически достоверной разницы исходов проводили по доверительному коэффициенту Стьюдента в группах однородных пациентов. Как видно из табл. 2, разница средних исходов у больных сопоставляемых групп статистически значима.

Эффективность способа компрессионного остеосинтеза, основанного на учете анатомо-хирургических и биомеханических особенностей околои внутрисуставных переломов, объясняется в первую очередь его функциональностью и меньшей травматизацией мягких тканей.

ОБСУЖДЕНИЕ

Любой перелом с точки зрения механики можно охарактеризовать как нестабильность, обусловленную отсутствием непрерывной жесткости. Функция сустава восстанавливается только тогда, когда консолидация костных отломков приводит к восстановлению его жесткости, т.е. при анатомичном воссоединении отломков и их биологически обоснованной компрессии.

Из механики известно, что если жесткость определяется свойством конструкции противостоять нагрузке с небольшой деформацией, то прочность — это свойство противостоять внешним силам без разрушения костной структуры. Применительно к лечению околои внутрисуставных переломов первостепенное значение имеют взаимоотношения сегмента конечности и аппарата внешней фиксации как единой системы с позиции биомеханики. Составляющими системы «аппарат—конечность» являются, с одной стороны, мягкие ткани, с другой — противоупорные элементы (стержни, спицы), компрессирующее устройство со спицей и внешняя опора (дуги или полукольца).

 

Табл. 1. Величины сил давления при дозированном компрессионном остеосинтезе некоторых околои внутрисуставных переломов

Локализация и характер повреждения	Сила компрессии, Н
Плечевой сустав
Перелом большого бугорка плечевой кости	224,2+18,8
Вывих плеча + перелом большого бугорка	234,1+14,2
Локтевой сустав
Перелом мыщелка плеча	308,6±19,9
Перелом надмыщелка	80,4+6,7
Вывих предплечья + перелом надмыщелка	162,1+18,6
Надмыщелковый перелом	364,6+22,9
Чрезмыщелковый перелом	383,2+22,3
Перелом локтевого отростка	384,3+21,4
Коленный сустав
Перелом мыщелка бедра Перелом мыщелка большеберцовой кости *	527,4+30,2 441,6±24,2
Перелом надколенника	317,4+19,7
Голеностопный сустав
Изолированный перелом лодыжки Супинационный перелом	229,8+19,6 447,7±26,9
Пронационный перелом	492,5+28,4
Перелом метаэпифизов берцовых костей + перелом таранной кости	503,4+29,3

 

Табл. 2. Оценка исходов околои внутрисуставных переломов у больных основной и контрольной групп

Локализация перелома (сустав)	Контрольная группа		Основная группа		Доверительный коэффициент	Достоверность различиям
Плечевой	10	80	13	93,46	3,66	<0,05
Локтевой	44	86,71	59	95,51	-4,62	<0,05
Коленный	22	88,55	36	95,69	-2,92	<0,05
Голеностопный	38	84,21	48	96,79	-5,51	<0,05

 

Клинические исследования живой кости, проведенные Muller и соавт. [6], показали, что при компрессии первые 2 ч сдавливающая сила в зоне перелома повышается на 10% относительно исходной, затем остается постоянной в течение 14 дней, а впоследствии уменьшается из-за эластичности живой кости и изменения метаболических и биохимических условий при компрессии. М.В. Волков [1], Г.И. Лаврищева и Э.Я. Дубров [2] считают оптимальной ширину щели между костными фрагментами около 100 мкм, Л.Л. Роднянский [4] допускает варьирование ее в пределах 50-250 мкм, Allgower и соавт. [5] — в пределах 100~300 мкм.

Мнения специалистов об оптимальной механической силе компрессии на костные фрагменты разноречивы и не всегда аргументированы. Вместе с тем избыточное давление на отломок может привести к угнетению репаративной регенерации, некрозу на стыке и перенапряжению отломка с его разрушением. Недостаточная компрессия влечет за собой нестабильность фиксации отломка. Поэтому мы прибегли к контролируемой динамической компрессии.

При вертикальном воздействии сил выявлена обратная зависимость величины компрессии от площади сечения перелома, т.е. чем больше площадь излома отломка, тем меньше усилий требуется для разъединения костных фрагментов. В то же время отмечена прямая зависимость силы компрессии от числа компрессирующих устройств. Однако увеличение числа упоров до 2 и до 3 на площадь сечения отломка менее 4 см² вызывало разрушение костного фрагмента после йриложения силы соответственно более 29,1 ±2,8 Н и более 19,1+1,3 Н.

Следует отметить, что силы компрессии при различных локализациях околои внутрисуставных переломов, рассчитанные на биомеханических моделях, несколько отличаются от клинических данных.

Заключение. Метод дозированного компрессионного остеосинтеза, дополняя известные консервативные и оперативные способы, расширяет возможности дифференцированного подхода к лечению околои внутрисуставных повреждений, что способствует повышению его качества. Дозированный компрессионный остеосинтез обеспечивает щадящее динамическое давление на отломки с учетов биологической резорбции на их стыке до конца сращения перелома. Метод позволяет при минимуме имплантируемых в ткани конструкций, не нарушав васкуляризацию в зоне перелома, стабильно фиксировать костные фрагменты, не препятствуя функции сустава в ранние сроки после операции. Прочность системы «кость—аппарат» зависит от взаимодействия двух факторов — стабильности чрескостных элементов (внешняя опора, противоупорные и компрессирующие фиксаторы) и подвижности мягкотканных образований. Как показали экспериментальные исследования, основной причиной несовершенства конструкции «кость—аппарат» является несоответствие между этими факторами, а именно преобладание нагрузки на конструкциюОдин из путей устранения этого несоответствия — применение нагрузок, адекватных механическим возможностям соединения костных отломков компрессирующими фиксаторами.

About the authors

T. N. Kallaev

Ulyanovsk City Clinical Emergency Hospital; Ulyanovsk State University

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

N. O. Kallaev

Ulyanovsk City Clinical Emergency Hospital; Ulyanovsk State University

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files